Atrapados en el acto

El elemento actinio se descubrió a principios del siglo XX, pero incluso ahora, casi 125 años después, los investigadores aún no comprenden bien la química del metal. Esto se debe a que el actinio solo está disponible en cantidades extremadamente pequeñas y trabajar con el material radiactivo requiere instalaciones especiales. Pero para mejorar los tratamientos contra el cáncer emergentes que utilizan actinio, los investigadores necesitarán comprender mejor cómo el elemento se une con otras moléculas.

En un nuevo estudio dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía, los investigadores hicieron crecer cristales que contenían actinio y estudiaron la estructura atómica del compuesto. Si bien los elementos a menudo se comportan de manera similar a sus primos más ligeros en la tabla periódica, los investigadores se sorprendieron al descubrir que el actinio se comportaba de manera diferente a lo que se predecía al observar su homólogo, el lantano.

“Hay una amplia gama de aplicaciones para estos elementos, desde la energía nuclear hasta la medicina y la seguridad nacional, pero si no sabemos cómo se comportan, eso inhibe el progreso que podemos lograr”, dijo Jen Wacker, primera autora del artículo publicado hoy en Nature Communications y química en Berkeley Lab. “Estamos viendo que este trabajo es necesario para comprender realmente la complejidad de estos elementos radiactivos, porque en muchos casos, usar sus sustitutos no es suficiente para comprender su química”.

Un área de interés es el uso de un isótopo de actinio (actinio-225) en un método de tratamiento del cáncer llamado terapia alfa dirigida (TAT), que ha mostrado ser prometedor en ensayos clínicos. El método TAT utiliza sistemas de administración biológica como péptidos o anticuerpos para mover el elemento radiactivo al sitio del cáncer. Cuando el actinio se desintegra, libera partículas energéticas que recorren una corta distancia, destruyendo las células cancerosas cercanas pero preservando el tejido sano más lejos.

“Hay un movimiento para diseñar mejores sistemas de administración para llevar el actinio a células particulares y mantenerlo allí”, dijo Rebecca Abergel, profesora asociada de ingeniería nuclear y química de la UC Berkeley, quien dirige el Grupo de Química de Elementos Pesados en Berkeley Lab. “Si podemos diseñar proteínas para que se unan al actinio con una afinidad realmente alta, y ya sea fusionarse con un anticuerpo o servir como proteína de direccionamiento, eso realmente permitiría nuevas formas de desarrollar radiofármacos”.

Los investigadores utilizaron un enfoque novedoso para hacer crecer los cristales usando solo 5 microgramos de actinio puro, aproximadamente una décima parte del peso de un grano de sal, e invisible a simple vista. Primero purificaron el actinio a través de un complejo proceso de filtración que eliminó otros elementos e impurezas químicas. Luego, unieron el actinio a una molécula atrapadora de metales llamada ligando y envolvieron el paquete dentro de una proteína aislada y purificada por el equipo de Roland Strong en el Fred Hutchinson Cancer Center, construyendo un “andamio macromolecular”. Los cristales, que se cultivaron durante una semana dentro del Laboratorio de Investigación de Elementos Pesados, se enfriaron criogénicamente en nitrógeno líquido e iluminaron con rayos X en el Fuente de Luz Avanzada (ALS) del Berkeley Lab. Los rayos X revelaron la estructura 3D del compuesto y mostraron cómo interactúa el actinio con los átomos circundantes. Es la primera estructura de rayos X de monocristal reportada para el actinio.

“He estado trabajando en cristalografía durante 40 años y he visto muchas cosas, y el método que está utilizando el equipo es único y proporciona detalles que no podríamos obtener en el pasado”, dijo Marc Allaire, científico del División de Biofísica Molecular e Imagen Integrada de Berkeley Lab y jefe del equipo del Centro Berkeley para Biología Estructural en el ALS. “Hasta donde yo sé, Berkeley Lab es el único lugar en el mundo donde hacemos este tipo de estudio y medimos cristales de proteínas radiactivas”.

En este trabajo, los científicos utilizaron actinio-227, el isótopo de más larga vida del elemento. Estudios futuros explorarán el actinio-225 (el isótopo preferido para la terapia alfa dirigida) para buscar otros cambios en la forma en que se une el metal. Los investigadores también están interesados en emparejar el actinio con diferentes proteínas para aprender más sobre las estructuras que forma.

“Esta es una ciencia muy fundamental que es parte de nuestro programa principal para comprender la química de los elementos pesados”, dijo Abergel. “Hemos logrado un método experimental realmente técnicamente difícil que supera los límites de la química de isótopos y nos permite obtener una mejor comprensión de este elemento. Con suerte, esto nos permitirá, y a otros, desarrollar mejores sistemas que sean útiles para la terapia alfa dirigida”.

La Fuente de Luz Avanzada es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

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Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) está comprometido a brindar soluciones para la humanidad a través de la investigación en energía limpia, un planeta saludable y ciencia del descubrimiento. Fundado en 1931 con la creencia de que los problemas más grandes se abordan mejor en equipo, el Berkeley Lab y sus científicos han sido reconocidos con 16 premios Nobel. Investigadores de todo el mundo confían en las instalaciones científicas de clase mundial del laboratorio para sus propias investigaciones pioneras. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

La Oficina de Ciencias del DOE es la mayor patrocinadora única de investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos, y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.